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Fanghi di depurazione
Sommario– In questa ricerca è stato studiato a scala di laboratorio il processo di disidratazione elettro-assistita (Electro Dewatering, EDW) dei fanghi di depurazione. I campioni di fango, stabilizzati aerobi-camente o anaerobiaerobi-camente, sono stati prelevati da quattro impianti di depurazione intorno all’area metropolitana di Milano. Per le prove EDW sono state utilizzate due tipologie di campioni: (i) fango liquido ispessito (LI), prelevato prima del condiziona-mento, e (ii) fango disidratato meccanicamente (DM). Le prove EDW su fango LI hanno consentito la disi-dratazione dei campioni fino ad un contenuto di soli-do secco (SS) del 18,4-31,1%, corrispondente a un aumento compreso tra il 2,0% e il 12,7% rispetto alla disidratazione meccanica convenzionale utilizzata nei quattro impianti. In aggiunta all’aumento del tenore di secco finale, il processo ha consentito una riduzione del dosaggio di polielettrolita rispetto a quello utiliz-zato negli impianti. Nelle prove su fango DM si sono raggiunti valori di SS compresi tra 30,1-41,0%. Si è dimostrato che le condizioni operative, come il poten-ziale elettrico applicato e lo spessore inipoten-ziale del fango trattato nel dispositivo, hanno notevole influen-za sull’efficieninfluen-za del processo EDW, sia su fango LI, sia su fango DM. Infine, il costo del polielettrolita, il consumo di energia elettrica e il costo dello smalti-mento dei fanghi associati al processo EDW sono stati confrontati con la disidratazione convenzionale utilizzata nei quattro impianti. Si è constatato che l’utilizzo del processo EDW consentirebbe di ridurre i costi di gestione dei fanghi fino al 37% all’anno per fango LI e fino al 50% per fango DM.
Parole Chiave: fanghi di depurazione, disidratazione,
disi-dratazione elettro-assistita, consumo energetico, costi.
THE ELECTRO-DEWATERING OF SLUDGE: INFLUENCE OF THE POLY-ELECTROLYTE DOSAGE AND THE OP-ERATING CONDITIONS
Abstract – In this research the process of electro-dewatering (EDW) of sewage sludge has been stud-ied. The sludge samples, aerobically or anaerobically stabilized, have been taken from four wastewater treatment plants (WWTPs) around the metropolitan area of Milan. For the EDW tests two types of
sam-ples have been used: (i) thickened sludge (LI), taken before conditioning and (ii) mechanically dewatered sludge (DM). The EDW tests on LI sludge allowed the dewatering of the samples up to a dry solid con-tent (SS) of 18.4-31.1%, equal to an increase of 2.0-12.7% compared to the conventional mechanical dewatering treatments used in the four WWTPs. Together with the final DS increase, the EDW process allowed to reduce the polyelectrolyte dosage with respect to that used in the WWTPs. The tests on DM sludge achieved DS values between 30.1-41.0%. It has been shown that the operating conditions, such as electrical potential and cake thickness, have consider-able influence on the efficiency of the EDW process, both on LI and DM sludge. The cost of the polyelec-trolyte, the consumption of electric energy and the cost of sludge disposal associated to the EDW process have been compared to conventional dewatering used in the four WWTPs. It was found that the use of the EDW process would reduce sludge management costs by up to 37% per year for LI samples and up to 50% for DM samples.
Keywords: sewage sludge, dewatering, electro-dewatering,
energy consumptions, costs.
Ricevuto il 4-1-2018; Correzioni richieste il 4-5-2018; Accettazione finale il 14-5-2018
1. INTRODUZIONE
In Europa ogni anno vengono prodotte circa 13,3 milioni di tonnellate di fango di depurazione (Eu-rostat, 2016a). In Italia si stima una produzione di circa 850 mila tonnellate di sostanza secca (Dru-siani, 2017), corrispondenti a circa 3,4 milioni di tonnellate di fango umido al 25% di secco. Attual-mente, si sta assistendo ad un cambio di prospetti-va, per cui il fango viene considerato una risorsa da valorizzare piuttosto che un rifiuto tramite, ad esem-pio, il recupero energetico dall’incenerimento (Rul-kens, 2008), il riciclo di nutrienti in agricoltura (Heimersson et al., 2017) e l’estrazione di biopoli-meri (Bluemink et al., 2016). In particolare, il re-cupero di energia dall’incenerimento dei fanghi ha attirato una considerevole attenzione per i suoi be-nefici ambientali ed economici (Mills et al., 2014). Tuttavia, l’efficienza dell’incenerimento dipende
LA DISIDRATAZIONE ELETTRO-ASSISTITA DEI FANGHI:
INFLUENZA DEL DOSAGGIO DI POLIELETTROLITA E DEI
PARAMETRI OPERATIVI
* Per contatti: Simone Visigalli, Politecnico di Milano - DI-CA, Sezione Ambientale, Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano, Italia. Telefono: (+39) 02 2399 3208. Cel: (+39) 347 1572449. E-mail: simone.visigalli@polimi.it.
Simone Visigalli
1,*, Andrea Turolla
1, Hai Zhang
1, Paolo Gronchi
2, Roberto Canziani
11Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (DICA) – Sezione Ambientale. 2Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica.
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fortemente dalla disidratazione e dall’essiccamen-to dei fanghi stessi. Infatti, la disidratazione mec-canica permette il raggiungimento di un contenuto di solido secco (SS) del 20-30% circa (Sanin et al., 2011), non sufficiente per auto-alimentare la rea-zione di combustione e ottenere una efficienza sod-disfacente nell’incenerimento. Per questo motivo, spesso gli inceneritori vengono provvisti di uno scambiatore di calore o di un’unità di essiccamen-to termico (Flaga, 2006), aumentando considere-volmente, tuttavia, i costi operativi dell’impianto. Inoltre, convenzionalmente, il trattamento dei fan-ghi e il loro smaltimento pesano dal 25 al 50% dei costi operativi complessivi di un impianto di de-purazione (Bertanza et al., 2014). Pertanto, un in-cremento nell’efficienza della disidratazione può determinare costi minori per lo smaltimento dei fanghi e, di conseguenza, notevoli risparmi per i gestori degli impianti di depurazione.
Come trattamento alternativo alla convenzionale disidratazione meccanica, la disidratazione elettro-assistita (Electro-Dewatering, EDW) è in grado di incrementare il contenuto di solido secco fino al 40-45% (Feng et al., 2014; Mahmoud et al., 2010; Tuan et al., 2008; Weng et al., 2013). Negli ultimi anni, il processo EDW ha riscosso notevole inte-resse come trattamento innovativo promettente, co-me dimostrato dalla considerevole letteratura, tan-to che sono già in commercio diversi dispositivi a scala reale, come ad esempio i sistemi CINETIK (Ovivo, USA), ELODE (ACE Korea Incorporation, Corea del Sud), Dehydris™ Osmo (Degrémont, Francia) ed Electrokinetic (Electrokinetic, Regno Unito). In numerose pubblicazioni è stata descritta l’efficienza del processo EDW in relazione ai para-metri operativi, quali la pressione, il potenziale elet-trico, la corrente, il tempo di trattamento, la massa di fango trattata, il dosaggio di polielettrolita (Ci-teau et al., 2012; Feng et al., 2014; Gingerich et al., 1999; Lee et al., 2001; Mahmoud et al., 2016, 2011, Olivier et al., 2015, 2014; Tuan et al., 2008; Yang et al., 2011; Yoshida et al., 1999; Zhou et al., 2001). Il processo EDW è stato utilizzato in passato anche come trattamento supplementare alla disidratazio-ne meccanica (Gronchi et al., 2017; Wang et al., 2005; Weng et al., 2013; Yu et al., 2010; Yuan and Weng, 2003; Zhan et al., 2016). Tra i diversi lavo-ri pubblicati, Visigalli et al. (2017a) hanno spelavo-ri- speri-mentato il processo EDW, a scala di laboratorio, su quattro fanghi provenienti da diversi impianti di depurazione e hanno dimostrato come esso con-senta di incrementare efficacemente il contenuto di SS ottenuto.
Sebbene il consumo di energia elettrica risulti no-tevolmente superiore rispetto ai convenzionali pro-cessi di disidratazione meccanica, la spesa energe-tica può essere compensata dalla riduzione del do-saggio di polielettrolita nella fase di condiziona-mento (Visigalli et al., 2017b, 2017c), dal rispar-mio nei costi di trasporto e smaltimento del fango (Visigalli et al., 2017c) e, infine, dal recupero ener-getico ottenuto nel caso si opti per la termovalo-rizzazione, ad es. mediante mono-incenerimento. Nello studio di Guo et al. (2017) sono stati presi in considerazione i costi del polielettrolita e i consu-mi energetici del processo. Yuan e Weng (2003) hanno studiato il processo EDW su fango disidra-tato meccanicamente e stimato il risparmio nei co-sti di smaltimento. Nell’analisi economica di Sa-veyn (2005) è stato invece messo in evidenza il pe-riodo di recupero dell’investimento (PRI), ovvero il tempo necessario per compensare l’investimen-to di capitale iniziale, di una nastropressa che ap-plichi il processo EDW. Tutti gli studi hanno evi-denziato risultati incoraggianti, riportando risparmi compresi tra 14,1% (Yuan and Weng, 2003) e 44,0% (Saveyn, 2005). Tuttavia, una valutazione economica complessiva ed esaustiva sul processo EDW non è ancora documentata in letteratura. In-fatti, allo scopo di ottimizzare i parametri operati-vi e di massimizzare l’efficienza del processo EDW, è necessaria un’analisi economica che con-sideri tutte le fasi di processo coinvolte nella ge-stione dei fanghi, e che, inoltre, permetta il con-fronto dei risultati ottenuti su fanghi di depurazio-ne con caratteristiche diverse.
In questa ricerca sono state eseguite prove di disi-dratazione con processo EDW alla scala di labora-torio su campioni di fango stabilizzati aerobica-mente o anaerobicaaerobica-mente, provenienti da quattro differenti impianti di depurazione. Per una detta-gliata analisi delle matrici di fango, sono stati pre-si in esame pre-sia campioni di fango liquido ispespre-si- ispessi-to, prelevati prima del condizionamenispessi-to, che cam-pioni disidratati meccanicamente. Queste prove hanno permesso di valutare l’influenza di diversi parametri operativi, tra cui il dosaggio del polie-lettrolita, lo spessore iniziale del fango tra gli elet-trodi e il potenziale elettrico, e di individuare con-figurazioni ottimizzate. Inoltre, dalle prove speri-mentali sono stati determinati i consumi energeti-ci e i costi operativi del processo EDW e, nello spe-cifico, sono stati studiati (i) i costi legati al consu-mo di polielettrolita per il condizionamento del fango, (ii) i costi dovuti ai consumi di energia elet-trica e (iii) i costi dello smaltimento del fango.
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Questi risultati sono stati confrontati con i costi operativi effettivi rilevati nei quattro impianti, che utilizzano centrifughe e nastropresse. Si è valuta-ta, quindi, la fattibilità economica e il potenziale risparmio sui costi operativi permessi dall’even-tuale introduzione del processo EDW, sia come metodo alternativo ai trattamenti meccanici esi-stenti, sia come trattamento ulteriore.
2. MATERIALI E METODI
2.1. Impianti di depurazione
I campioni di fango sono stati prelevati da quattro diversi impianti di depurazione (ID) nell’area me-tropolitana di Milano. I fanghi vengono sottoposti ad un trattamento di stabilizzazione aerobica negli ID 1, 2 e 3, mentre il fango prelevato dall’ID 4 è stato digerito anaerobicamente. Per le prove di EDW sono state utilizzate due tipologie di cam-pioni: (i) fango liquido ispessito (LI), prelevato pri-ma del condizionamento, e (ii) fango disidratato meccanicamente (DM).
In Tabella 1 sono riportate le principali caratteri-stiche dei quattro ID studiati: popolazione equiva-lente servita, trattamenti di stabilizzazione, tecnica di disidratazione e consumo energetico specifico delle macchine utilizzate, massa di fango prodotta e destinazione finale dello smaltimento.
2.2. Condizionamento e caratterizzazione del fango
Il condizionamento dei fanghi ispessiti è stato ese-guito in laboratorio con jar-test in beaker da 1 l, a 300 rpm per 30 sec e 30 rpm per i successivi 15 min, con polielettrolita poliammidico altamente ca-tionico (Tillflock CL-1480), scelto tra quelli più utilizzati negli ID studiati. Sono stati studiati tre dosaggi diversi per ogni fango: un campione è
sta-to usasta-to come riferimensta-to senza aggiunta di polie-lettrolita, gli altri due sono stati condizionati con due diversi dosaggi (4 e 8 g/kgSS), scelti in segui-to ad una caratterizzazione preliminare dei fanghi e considerando 8 g/kgSScome valore tipico del con-dizionamento (Sanin et al., 2011).
Per quanto riguarda la caratterizzazione del fango, la quantità di solido secco iniziale (SSi), il rappor-to dei solidi volatili su solido secco (VS/SS) e il ca-pillary suction time (CST) sono stati misurati in ac-cordo con i metodi standard (APHA/AWWA/WEF, 2012). La conducibilità elettrica e il pH sono stati monitorati per mezzo di un conduttivimetro B&C Electronics-C 125.2 e un pH-metro Metrohm 827 pH Lab, rispettivamente. I campioni di fango ispes-sito sono stati filtrati sotto vuoto con un filtro What-man 42 (dimensione dei pori 2,5 μm) e il potenzia-le zeta del filtrato è stato determinato con lo stru-mento Malvern Zetameter ZS90. Al contrario, per i campioni DM, prelevati dall’impianto contempo-raneamente al fango LI, i valori di pH, conducibi-lità e potenziale zeta non sono stati misurati in quanto caratteristiche significative del fango liqui-do. Prima dell’uso, i campioni di fango sono stati conservati a 4 °C per massimo cinque giorni. In Tabella 2 (a pagina seguente) sono elencate le principali caratteristiche dei campioni di fango pre-levati dai quattro ID e le tipologie di polielettroli-ta utilizzate nel condizionamento. I campioni A e AA sono relativi al fango non condizionato, men-tre i campioni B e C si riferiscono al fango condi-zionato con i due differenti dosaggi di polielettro-lita (4 e 8 g/kgSS). I campioni denominati DM si ri-feriscono invece a fango disidratato meccanica-mente nell’ID.
2.3. Prototipo da laboratorio
In Figura 1 è mostrato il prototipo da laboratorio utilizzato per le prove EDW. Consiste in un
cilin-Tabella 1 – Caratteristiche degli impianti di depurazione (ID) da cui sono stati prelevati i campioni di fango sot-toposti a prove di EDW
ID Popolazione
equi-valente servita Stabilizzazione
Disidratazione meccanica Consumo di energia elettrica specifico Massa di fango prodotta Smaltimento
No. PE Wh/kgH2O ton/anno
1 59.312 Aerobica Centrifuga 1,7 6.041 Agricoltura
2 33.722 Aerobica Centrifuga 3,8 1.674 Agricoltura
3 47.080 Aerobica Nastropressa 1,7 2.458
Incenerimento Discarica
Altri ID
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dro in vetro, di altezza di 176 mm e diametro in-terno di 80 mm, equipaggiato con un pistone pneu-matico a doppio effetto (SMC, CP96SDB32-200, corsa di 200 mm), il quale ha la funzione di appli-care la pressione meccanica nella cella (max 450 kPa) e sostenere l’anodo in titanio rivestito in os-sidi di metalli misti (DSA®, Industrie De Nora, Ita-lia). Nella parte inferiore del cilindro, un filtro in
politrimetilentereftalato (PTT) è posto sopra una rete in acciaio inossidabile (AISI 304) che funge da catodo. Il catodo è fissato su un supporto in PTFE forato (diametro fori di 3 mm), che permette al-l’acqua separata dal fango e filtrata di essere ri-mossa. I due elettrodi sono connessi ad un genera-tore di corrente continua (GBC, 34121070 – max 30 V/5 A).
Tabella 2 – Caratteristiche dei campioni di fango prelevati dai quattro ID e polielettrolita utilizzato nel condi-zionamento
Campione ID
Dosaggio polielettrolita SSi VS/SS CST Conducibilità pH Potenziale zeta Laboratorio Impianto g/kgSS % % s mS/cm mV 1-A 0 2,0 68,3 32,0 1,34 7,5 -11,9 1-B 4* 2,4 - 22,5 1,33 7,4 -11,5 1-C 8* 2,2 - 19,8 1,29 7,4 -11,5 1-DM 11,2* 15,0 69,3 - - - -2-A 0 3,3 78,4 103,3 1,84 6,9 -13,1 2-B 4* 3,2 - 92,7 1,79 6,5 -12,6 2-C 8* 3,2 - 68,8 1,68 6,6 -11,9 2-DM 15,0* 15,9 80,2 - - - -3-A 0 3,2 72,7 35,7 1,28 6,9 -13,4 3-B 4* 3,0 - 28,3 1,26 6,9 -12,9 3-C 8* 2,8 - 17,8 1,26 7,0 -12,1 3-AA 0 2,3 71,7 22,9 1,50 6,7 -12,6 3-DM 5,3** 16,3 74,3 - - - -4-A 0 4,3 64,8 155,6 4,00 6,7 -11,3 4-B 4* 4,3 - 81,6 4,00 6,7 -11,5 4-C 8* 4,3 - 102,3 4,00 6,7 -11,0 4-DM 15,4* 19,0 66,6 - - - -* Polielettrolita: TILLFLOCK CL1480 ** Polielettrolita: PREASTOL 645BC
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2.4. Procedura delle prove EDW
La procedura delle prove EDW è stata adattata da Mahmoud et al. (2011) ed è riportata graficamen-te in Figura 2. La sgraficamen-tessa è poi descritta in dettaglio nei paragrafi seguenti.
2.4.1. Fango liquido ispessito (LI)
Per minimizzare la durata delle prove, il fango li-quido ispessito è stato preliminarmente centrifu-gato per 5 minuti a 4.000 rpm (forza centrifuga re-lativa ≈ 1.789 g) con una centrifuga da laborato-rio (ThermoFisher Scientific-SL 16). Questo pre-trattamento, comparabile ad un ispessimento di-namico spinto, ha permesso un minor consumo energetico nelle prime fasi di processo, in cui l’applicazione del campo elettrico risulta meno efficiente rispetto alla semplice compressione meccanica (Barton et al., 1999; Mahmoud et al., 2016; Olivier et al., 2015). Le prove EDW con i campioni A, B e C sono state eseguite in due re-pliche utilizzando le stesse condizioni operative. Sono stati utilizzati circa 90 g di fango centrifu-gato, con un contenuto di SS (SSCFG) di 7,5-13,9% e spessore (S), ovvero una distanza iniziale tra gli elettrodi, di circa 15 mm. Il campione di fango, una volta alimentato nel cilindro in vetro, è stato sottoposto a pressione meccanica di 300 kPa per 10 minuti. Successivamente, mantenendo costan-te la pressione, è stato acceso il generatore di cor-rente ed è stato imposto un valore fissato di po-tenziale elettrico per 25 minuti tra gli elettrodi. Nelle prove EDW con il campione 3-AA sono in-vece state utilizzate differenti condizioni operati-ve per valutarne l’influenza sull’efficienza e i co-sti del processo EDW: lo spessore iniziale è stato variato tra 15 e 20 mm e il potenziale elettrico tra 10, 15 e 20 V.
2.4.2. Fango disidratato meccanicamente (DM)
Il campione di fango disidratato meccanicamente è stato sottoposto direttamente a pressione costante (300 kPa) e campo elettrico (10, 15 e 20 V) per 25 minuti. Lo spessore iniziale è stato variato tra 15, 20 e 25 mm, corrispondenti rispettivamente a cir-ca 55, 70 e 85 g di cir-campione di fango.
2.5. Analisi dei costi del processo EDW
Durante le prove EDW, la corrente elettrica e la mas-sa di acqua rimosmas-sa sono state registrate manual-mente ad intervalli di un minuto. Il consumo di ener-gia elettrica specifico (CEES) (Wh/kgH2O) è stato calcolato con l’Equazione 1 (Mahmoud et al., 2016): (1) dove V è il potenziale elettrico applicato (V), n è il numero di misure registrate, Ijè la corrente misu-rata (A), Δt è l’intervallo di tempo tra due misure (ore) e mH2Oè la massa totale di acqua rimossa (kg) durante la fase di polarizzazione.
Il costo dei trattamenti del fango LI considerato nel-l’analisi economica del processo EDW comprende tre distinte componenti: costo del polielettrolita per il condizionamento del fango, costo dell’energia consumata nella disidratazione meccanica o nel pro-cesso EDW, e costo dello smaltimento dei fanghi prodotti. Dati specifici degli ID sono stati utilizza-ti come riferimento per compararli con il processo EDW. I costi annuali (€/anno) di condizionamento (CostCOND), disidratazione meccanica (CostDM), smaltimento (CostSMAL DMe CostSMAL EDW) ed EDW (CostEDW) sono stati calcolati come segue:
(2) ൌ ܸ ή σ ܫή οݐ ୀଵ ݉ுమை ܥݏݐைேൌ ൬ܵܵூ ή ݉ூ ͳͲͲ ൰ ή ܦைூ൨ ή ܥݏݐைூ
Figure 2 – Descrizione della procedura utilizzata nelle prove EDW. Il fango LI viene sottoposto a centrifuga-zione preliminare in laboratorio, seguiti da 35 minuti di compressione, di cui gli ultimi 25 minuti con il potenziale elettrico acceso, nel prototipo da laboratorio. Il fango DM viene sottoposto diret-tamente a 25 minuti di compressione e campo elettrico nel prototipo da laboratorio. SSi, SSCFG, SSp e SSv indicano rispettivamente i contenuti di sostanza secca del fango iniziale, dopo centrifu-gazione in laboratorio, dopo la fase di pressione meccanica nella cella e dopo il processo EDW
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CostDM=EDM· (mCOND· SSCOND– mDM· SSDM)· CostEE (3)
CostSMAL DM= mDM· CostUNIT (4)
CostSMAL EDW= mEDW· CostUNIT (5)
CostEDW= CostCFG+ CostP+ CostV (6)
dove SSLI, SSCONDe SSDMsono i contenuti di solido secco (%) del fango liquido ispessito, condiziona-to e disidratacondiziona-to; mLI, mCOND, mDM e mEDWsono le masse (ton) di fango prodotto all’anno di fango li-quido ispessito, condizionato, disidratato e disi-dratato con processo EDW; DPOLIè il dosaggio di polielettrolita (kg/tonSS); CostPOLIè il costo speci-fico di polielettrolita (€/kgPOLI); EDMè il consumo di energia elettrica (kWh/tonnH2O) coinvolto dalla disidratazione meccanica (Tabella 1); CostEE è il costo specifico di energia elettrica in Italia (~0,18 €/kWh) (Eurostat, 2016b); CostUNIT è il costo di smaltimento unitario (€/ton), così come pagato dai quattro impianti, equivalente a 12,5 €/ton per il tra-sporto in altri ID, 52,2 €/ton per smaltimento in agricoltura, 78,3 €/ton per incenerimento, 104,0 €/ton per smaltimento in discarica. Il costo del pro-cesso EDW è stato calcolato sommando i contributi di centrifugazione (CostCFG), compressione (CostP) e potenziale elettrico applicato (CostV), calcolato come la potenza assorbita durante le prove e il co-sto dell’energia elettrica, come segue:
(7)
L’analisi economica del processo EDW su fango DM è stata basata sulla medesima procedura di cal-colo, che non ha tuttavia tenuto conto dei costi di condizionamento del fango, perché comune sia al processo EDW sia ai trattamenti convenzionali. Il dosaggio di polielettrolita viene scelto in ID per l’ottimizzazione della disidratazione con centrifu-ga/nastropresse e la valutazione economica ha te-nuto conto solo dei costi energetici dei processi di disidratazione e di quelli di smaltimento del fango, elidendo, perché comuni, i costi di condiziona-mento.
Per poter meglio comparare graficamente i risulta-ti, i costi totali dei processi sono stati divisi per i metri cubi annui di fango umido ispessito trattato nei rispettivi impianti (con gli stessi tenori di sec-co mostrati in Tabella 2), ottenendo il sec-costo unita-rio (€/m3).
3. RISULTATI E DISCUSSIONE
3.1. Efficienza del processo EDW
3.1.1. Fango LI – Influenza del dosaggio di polielet-trolita
La Figura 3 mostra l’evoluzione nel tempo della densità di corrente e del contenuto di SS ottenuti nelle prove EDW su fango LI, a diversi dosaggi di polielettrolita (0, 4 e 8 g/kgSS).
ܥݏݐൌ ቌܸ ή ܫή οݐ
ୀଵ
ቍ ܥݏݐாா
Figura 3 – Densità di corrente (linea continua) e contenuto di SS (indicatori) in funzione della durata della prova EDW ottenuti con i fanghi da ID 1 (a), 2 (b), 3 (c) e 4 (d), a diversi dosaggi di polielettrolita (0, 4 e 8 g/kgSS). Condizioni di prova: potenziale elettrico 15 V, spessore iniziale 15 mm
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In primo luogo, si può vedere che le densità di cor-rente tendono a diminuire monotonamente dopo un picco iniziale. Infatti, con il proseguire della rimo-zione di acqua, la resistenza del fango in stretta prossimità dell’anodo inizia ad aumentare (Citeau et al., 2012). Tuttavia, in alcuni casi, mentre il pro-cesso continua, le correnti possono talvolta mo-strare un secondo picco (come mostrato in Figura 3b e 3c). Questo comportamento può essere dovu-to ad un aumendovu-to locale della temperatura nel fan-go, che causa la riduzione della viscosità dello stes-so e, quindi, della resistenza elettrica (Barton et al., 1999; Mahmoud et al., 2010).
In generale, il tenore di secco finale SSvottenuto con i campioni di riferimento è risultato inferiore rispet-to al fango condizionarispet-to a 4 e 8 g/kgSS. Infatti, la na-tura colloidale e comprimibile del fango ostacola la rimozione dell’acqua e l’aggiunta di polielettrolita è necessaria per indurre la formazione di una rete di particelle flocculate, risultando in una struttura con ridotta ritenzione idrica (Saveyn et al., 2005). Ge-neralmente, quindi, è necessaria una dose minima di polielettrolita per indurre una filtrazione rapida, quindi un alto SSp,e ridurre il fabbisogno di energia nella disidratazione meccanica (Sanin et al., 2011). Tuttavia, questo comportamento non si è palesato nel fango dell’ID 3, e, solo in minor misura nel fan-go dell’ID 1, dove il contenuto finale di SSvtra i campioni A, B e C è simile. Il nostro studio sembra dimostrare che l’aggiunta di polielettrolita non sem-pre conferisce un effetto positivo all’efficienza del processo EDW (Citeau et al., 2011).
L’effetto del polielettrolita è più pronunciato nella disidratazione meccanica durante la fase di com-pressione, poiché fa flocculare il fango e facilita il drenaggio dell’acqua interparticellare. Questo com-portamento può essere osservato fino a 10 minuti di compressione meccanica dei campioni condi-zionati con dosaggio a 8 g/kgSS. Successivamente, quando il drenaggio di acqua per sola azione di compressione si riduce a valori prossimi a zero, il contenuto di secco aumenta e la permeabilità di-minuisce al punto che il polielettrolita non è più in grado di esercitare effetti osservabili. Nella fase EDW, quando viene applicato il campo elettrico, la disidratazione si basa principalmente sui mec-canismi di elettroforesi ed elettroosmosi, che di-pendono fortemente da fattori quali la dimensione e la forma delle particelle, il potenziale zeta, la vi-scosità del liquido e la costante dielettrica, piutto-sto che dalla permeabilità del fango (Mahmoud et al., 2010). Questo spiega perché il dosaggio del po-limero non comporta significativi incrementi di
te-nore di secco sui campioni di ID 1, 2 e 3. Al con-trario, per il campione di ID 4, sembra che il do-saggio abbia un effetto considerevole nell’incre-mentare i valori di SSv. È, però, evidente che il pro-cesso EDW non produca effetti significativi su questo fango, per il quale l’incremento di secco do-po l’applicazione del camdo-po elettrico è modesta. Si può notare che per i campioni di fango di ID 1 e 4 è necessario il dosaggio più alto di polielettro-lita per raggiungere il valore più elevato di SSv; per i campioni di ID 2 il dosaggio di 8 g/kgSS non è giustificato dall’aumento del contenuto di SS ri-spetto al dosaggio a 4 g/kgSS; per il fango di ID 3 viene raggiunto un contenuto di SS del 30,9% sen-za aggiunta di polielettrolita.
In generale, per i fanghi stabilizzati aerobicamente, il contenuto di SSvdei campioni condizionati (B-C) ottenuti dopo le prove EDW è superiore a quello raggiunto dalla disidratazione meccanica conven-zionale nei quattro ID: in media, la quantità di SS è superiore del 9,1% per i fanghi di ID 1, del 7,2% per i fanghi di ID 2 e del 14,5% per i fanghi di ID 3. Tuttavia, nel caso del fango digerito anaerobica-mente, solo con un dosaggio di 8 g/kgSSsi raggiun-ge un contenuto di SSvsuperiore a quello ottenuto nell’impianto. Questo fatto è dovuto alla maggiore disidratabilità meccanica dei fanghi con un più bas-so rapporto VS/SS e minore frazione organica (Skinner et al., 2015), caratteristica riscontrabile nel campione di fango digerito anaerobicamente (Ta-bella 2). Le caratteristiche dei fanghi mostrati nel-la Tabelnel-la 2 hanno una notevole influenza sull’effi-cienza del processo EDW. Il basso valore del po-tenziale zeta dei fanghi di ID 3 può essere un indi-catore di una maggiore velocità elettroforetica du-rante il processo EDW. Il CST è un buon indicato-re di disidratazione meccanica, ma non fornisce al-cuna informazione sull’idoneità all’applicazione di EDW (Visigalli et al., 2017b, 2016). Al contrario, un elevato contenuto di elettroliti e valori di alta conducibilità (caso ID 4) possono ridurre la veloci-tà di disidratazione all’inizio della fase di polariz-zazione a causa della riduzione del doppio strato elettrico delle particelle (Mahmoud et al., 2018). Va sottolineato come le prove EDW sui fanghi di ID 1 e 3, senza aggiunta di polielettrolita, abbiano sem-pre raggiunto un contenuto di SS maggiore di quel-lo ottenuto dopo la disidratazione meccanica. La duzione del dosaggio del polielettrolita è uno dei ri-sultati più promettenti per l’applicazione del proces-so EDW su larga scala, in quanto permette di bilan-ciare in parte il costo del consumo energetico legato al processo. Infatti, i valori di CEES ottenuti nelle
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Fanghi di depurazione
prove EDW sono risultati di almeno un ordine di grandezza superiori rispetto ai consumi delle nastro-presse o centrifughe utilizzate nei quattro ID studia-ti (Tabella 1). Nello specifico, il CEES delle prove EDW eseguite su fango LI cade nel range 49,3-63,9 Wh/kgH2Oper i fanghi stabilizzati aerobicamente (ID 1, 2 e 3) e nel range 66,9-92,6 Wh/kgH2Oper il fan-go da ID4, a causa dell’elevata conducibilità elettri-ca e del maggiore contenuto di SS. Infatti, il consu-mo di energia elettrica è strettamente legato alla con-ducibilità del fango, la quale contribuisce ad innal-zare le correnti massime sviluppate e, di conseguen-za, la potenza assorbita dal sistema.
In conclusione, il campione di fango di ID 3 risul-ta essere il più adatto per il processo EDW: il con-tenuto finale di SSvè del 14.5% più alto di quello ottenuto in impianto dopo la disidratazione con na-stropressa. Al fine di massimizzare il contenuto di SS ed eventualmente ridurre i costi dello smalti-mento (Yuan and Weng, 2003), lo studio delle con-dizioni operative del processo EDW diventa fon-damentale per comprendere meglio i consumi ener-getici coinvolti.
3.1.2. Fango LI – Influenza dei parametri operativi Successivamente, è stato prelevato un nuovo cam-pione di fango LI non condizionato da ID 3 (cam-pione 3-AA), con cui è stato ottenuto il contenuto di SS con le prove EDW a 15 V più alto. Sono sta-ti effettuasta-ti nuovi test EDW per poter studiare l’in-fluenza delle condizioni operative sull’efficienza del processo sia in termini di CEES sia di percen-tuale di solidi finale. Le prove sono state eseguite a diversi valori di spessore iniziale (15 e 20 mm) e potenziale elettrico (10, 15 e 20 V). I risultati so-no riportati in Figura 4.
Come riportato in studi precedenti (Citeau et al., 2012; Feng et al., 2014; Mahmoud et al., 2011, 2010; Olivier et al., 2015; Weng et al., 2013; Yu et al., 2017; Zhan et al., 2016), un potenziale più ele-vato comporta una cinetica più elevata e quindi una maggiore disidratazione; al contrario, maggiore è lo spessore (o la massa di fango) maggiore sarà la re-sistenza elettrica e quindi minori saranno le corren-ti misurate e l’efficienza del processo. I risultacorren-ti mo-strati in Figura 4 sono in linea con questo risultato: con uno spessore di 15 mm e un potenziale elettri-co di 20 V, è stato raggiunto un elettri-contenuto di SSvdel 39,3%, maggiore del 21,2% rispetto al valore otte-nuto con nastropressa in ID 3. Inoltre, questi valori sono stati ottenuti senza aggiunta di polielettrolita. Come riferimento, i campioni di fango sono stati sottoposti a pressione meccanica per 35 minuti,
ov-vero la stessa durata complessiva delle prove EDW, e hanno evidenziato l’effettivo aumento del conte-nuto di SS otteconte-nuto grazie al processo EDW. I valori di CEES sono risultati sempre inferiori a 90 Wh/kgH2Oin tutte le condizioni operative studiate, ma hanno evidenziato la necessità di trovare un compromesso tra il potenziale elettrico e lo spes-sore, in modo da ridurre i costi del processo EDW. Ad esempio, un aumento del 4,3% nel contenuto di SS nelle prove con 15 mm e 20 V è stato ottenuto con un CEES superiore del 48% rispetto all’appli-cazione di un potenziale di 15 V. Al contrario, due casi, 20 mm – 20 V e 15 mm – 15 V, hanno valori di CEES simili, ma contenuti di SSvdiversi. Per-tanto, per riuscire ad ottimizzare i parametri ope-rativi e massimizzare l’efficienza, è necessaria un’analisi economica che tenga conto di ogni aspetto coinvolto.
3.1.3. Fango DM
I risultati mostrati su fango LI hanno dimostrato la fattibilità del processo EDW come trattamento al-ternativo ai metodi di disidratazione convenzionali. Tuttavia, è interessante analizzare se questo proces-so possa essere utilizzato anche come metodo di di-sidratazione per aumentare significativamente il contenuto di secco di fanghi già sottoposti a disi-dratazione meccanica con le nastropresse o centri-fughe comunemente utilizzate negli impianti stu-diati. In Figura 5 viene mostrato l’effetto delle con-dizioni operative (spessore di 15, 20 e 25 mm, po-tenziale elettrico di 10, 15 e 20 V) nelle prove EDW sul contenuto di SS e sul CEES per i quattro cam-pioni di fango prelevati dopo la disidratazione mec-canica. In generale, come per il fango LI, il
conte-Figura 4 – Contenuto di SS (istogramma) e CEES (punti) ottenuti nelle prove EDW (V = 10, 15, 20 V; S = 15, 20 mm) con fango LI non condizionato proveniente da ID 3. Sono ri-portati due test di riferimento senza l’ap-plicazione del potenziale elettrico. La linea rossa evidenzia il valore medio di SS otte-nuto in ID 3 con metodi meccanici
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nuto di SS nel fango aumenta aumentando il poten-ziale elettrico applicato e diminuendo lo spessore. Pertanto, i quattro campioni di fango hanno ottenu-to il più alottenu-to contenuottenu-to di SS in prove eseguite a 20 V e 15 mm di spessore, con valori fino a 30,1% per il fango da ID 1, 40,0% per il fango da ID 2, 38,1% per il fango da ID 3 e 34,0% per il fango da ID 4.
I valori di CEES, come detto, aumentano con i va-lori di potenziale elettrico e a spessori minori, a cau-sa delle correnti sviluppate più elevate. Tuttavia, an-che con un potenziale di 20 V e uno spessore di 15 mm, il valore massimo ottenuto è stato di 186,8 Wh/kgH2O(ID 2). Considerando che, in Italia, il va-lore di conversione dell’efficienza dell’energia pri-maria (termica) in energia elettrica è di circa 0,47 (Caputo e Sarti, 2015), il processo EDW ha com-portate un consumo specifico di energia primaria fino ad un massimo di 397,4 Wh/kgH2O, molto mi-nore dell’energia primaria specifica richiesta per l’essiccamento termico (Olivier et al., 2014). Nel caso in cui il fango fosse destinato all’inceneri-mento, il processo EDW consentirebbe di ottenere un contenuto di SS del 35-40% che consentirebbe l’autosostentamento in inceneritore a 850 °C (Eu-ropean Parliament and Council, 2000), eliminando la necessità dell’essiccamento termico.
Questi risultati hanno confermato l’elevata effi-cienza del processo EDW nel rimuovere ulterior-mente l’acqua presente in fanghi già sottoposti a disidratazione meccanica.
3.2. Analisi dei costi del processo EDW
3.2.1. EDW come sostituto della disidratazione mec-canica
L’elevato consumo di energia elettrica indotto dal processo EDW sembra suggerire che l’uso di un campo elettrico in un prototipo su scala commer-ciale, come sostituto della disidratazione meccanica, non sia economicamente sostenibile. Tuttavia, per il fango LI, un’eventuale riduzione del dosaggio del polielettrolita e l’aumento del contenuto di SS, pos-sono ridurre i costi di condizionamento e smalti-mento dei fanghi. Confrontando i dati delle Figure 3 e 4, i fanghi stabilizzati aerobicamente hanno mo-strato un contenuto di SS più alto di quello ottenu-to con la disidratazione meccanica a seguiottenu-to del pro-cesso EDW. Inoltre, questi valori sono stati raggiunti con una dose di polimero notevolmente inferiore ri-spetto ai trattamenti convenzionali.
La Figura 6 riporta i costi di trattamento dei fanghi derivati dalle prove EDW denominate A, B e C su fango LI. La percentuale del risparmio viene cal-colata confrontando i casi EDW con il caso di ri-ferimento.
Il risparmio viene calcolato confrontando i casi EDW (V = 15 V, S = 15 mm) con i rispettivi casi di riferimento.
I dosaggi del polielettrolita nelle prove EDW e, di conseguenza, i costi della fase di condizionamento sono inferiori a quelli nei quattro ID (Tabella 2), con la sola eccezione del campione 3-C condizionato
Figura 5 – Contenuto di SS (istogramma) e CEES (punti) ottenuti nelle prove EDW (V = 10, 15, 20 V; S = 15, 20, 25 mm) su fango DM proveniente da ID 1 (a), 2 (b), 3 (c) e 4 (d)
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con un dosaggio di 8 g/kgSS. Il costo della fase di disidratazione meccanica risulta ovviamente infe-riore rispetto al processo EDW. Inoltre, si nota che lo smaltimento dei fanghi rappresenta la quota mag-giore nel costo del trattamento dei fanghi. Di con-seguenza, un contenuto di SS più elevato riduce no-tevolmente i costi di smaltimento e i costi totali del-la gestione dei fanghi. Ciò è particodel-larmente vero per i casi in cui il fango stabilizzato aerobicamente (ID 1, 2 e 3) viene trattato con il processo EDW, con l’eccezione del campione 2-A. In particolare, il pro-cesso EDW su fango prelevato da ID 3 consente un risparmio sui costi di oltre il 30%. Al contrario, l’ele-vato contenuto di SS ottenuto dalla disidratazione meccanica di fanghi stabilizzati anaerobicamente (ID 4) rende insostenibili i costi del processo EDW. La stabilizzazione aerobica è più comune negli ID medi e piccoli, dove consente quindi il raggiungi-mento di un contenuto finale di SS relativamente basso. In questi ID, il processo EDW, se applicato su una macchina commerciale, avrebbe costi di inve-stimento competitivi e migliori prestazioni di disi-dratazione rispetto ai tradizionali metodi meccanici. Tuttavia, è bene considerare che un eventuale pre-ispessimento dinamico spinto, simulato in laborato-rio dalla centrifugazione, al fine di incrementare il contenuto di SS fino all’8-10% e ridurre i consumi energetici nella prima fase di processo, non consen-tirebbe una eliminazione totale del polielettrolita. In Figura 7 sono mostrati i costi di condiziona-mento, disidratazione e smaltimento coinvolti nel processo EDW sul campione 3-AA.
Il risparmio viene calcolato confrontando i casi EDW (V = 10, 15, 20 V e S = 15, 20 mm) con il rispettivo caso di riferimento nell’ID 3.
È evidente che quando il tipo di fango risulta com-patibile con il processo EDW e le condizioni ope-rative sono ottimizzate (in questo caso, spessore di 15 mm e potenziale elettrico di 15 V), è possibile
raggiungere un elevato contenuto di SS (35-40%) e allo stesso tempo mantenere ridotti costi di pro-cesso (oltre il 35% di risparmio). In questo caso, l’analisi economica ha evidenziato il fatto che un potenziale di 20 V associato a uno spessore di 15 mm permette anche di raggiungere un contenuto di SS maggiore, ma a spese di un costo totale leg-germente più elevato.
3.2.2. EDW come processo complementare, successivo alla disidratazione meccanica convenzionale Nel caso di fanghi DM, si è dimostrato che 25 mi-nuti di trattamento EDW sono sufficienti per in-crementare notevolmente il contenuto di SS, sia per fanghi stabilizzati aerobicamente che anaerobica-mente. Come mostrato in Figura 8, l’alto contenu-to di SS dei fanghi DM sotcontenu-toposti a prove di EDW porta a risparmi superiori al 10%, per tutti e quat-tro i campioni di fango e in tutte le condizioni ope-rative studiate.
Come nel caso del fango LI, le condizioni operati-ve del processo possono essere facilmente ottimiz-zate massimizzando il risparmio sui costi operativi.
Figura 6 – Costi totali di condizionamento, disidratazione e smaltimento dei fanghi LI prelevati dai quattro ID
Figura 7 – Costi totali di condizionamento, disidra-tazione e smaltimento del fango LI prele-vato dall’ID 3
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Il processo EDW su fango prelevato da ID 1 ha mo-strato un risparmio fino al 30%, con potenziale elet-trico di 10-15 V e spessori di 15-20 mm. Per ID 2, le prove a 15-20 V e 20 mm hanno consentito un ri-sparmio del 24% circa. I risparmi maggiori riguar-dano il caso di ID 3, in cui il processo EDW con-sente una riduzione dei costi fino al 48%, con po-tenziale di 15 V e spessore di 15 mm. Infine, il fan-go di ID 4 ha mostrato un margine di risparmio del 24% con 10-15 V e 15 mm di spessore.
Il risparmio viene calcolato confrontando i casi EDW (V = 10, 15, 20 V e S = 15, 20, 25 mm) con il rispettivo caso di riferimento con disidratazione convenzionale e smaltimento del disidratato.
3.3. Fango LI vs. fango DM
Da quanto detto sopra, è evidente che il processo EDW possa avere un notevole impatto sull’effi-cienza nella disidratazione dei fanghi e sui suoi costi. Inoltre, gli ID di dimensioni piccole e me-die (indicativamente: inferiori a 30.000 AE), che generalmente utilizzano trattamenti con stabiliz-zazione aerobica e hanno un’efficienza di
disidra-tazione meccanica inferiore rispetto a quella con-seguibile in impianti di dimensioni maggiori, ri-sultano i candidati principali per l’installazione di un’eventuale macchina EDW. Dai risultati mo-strati nei paragrafi 3.2.1 e 3.2.2 si evince che, a parità di condizioni operative (potenziale elettrico di 15 V e spessore di 15 mm) e ID, i risparmi sui costi totali maggiori sono stati ottenuti quando il processo EDW è stato utilizzato in coda alla fase di disidratazione meccanica, grazie soprattutto al maggiore contenuto di SSv. Tuttavia, si deve con-siderare il fatto che i costi di costruzione, installa-zione, gestione e manutenzione della macchina an-drebbero ad influire notevolmente sui costi della linea di disidratazione dei fanghi. Per evitare che questi costi vadano a sommarsi a quelli relativi al-l’utilizzo delle nastropresse e centrifughe, risulta così più favorevole l’utilizzo di un unico mezzo di disidratazione. Per questo motivo è attualmen-te in fase di studio lo sviluppo di una macchina EDW in grado di svolgere entrambe le fasi, e ca-pace di incrementare l’efficienza di disidratazione fino a valori comparabili a quelli ottenuti in labo-ratorio.
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4. CONCLUSIONI
Il processo di disidratazione elettro-assistita (EDW) su fanghi di depurazione è stato studiato su cam-pioni di fango stabilizzato aerobicamente e anaero-bicamente, prelevati da quattro ID. Su fanghi liqui-di stabilizzati aerobicamente e conliqui-dizionati (LI), il processo EDW ha permesso il raggiungimento di un contenuto di SS maggiore di quello ottenuto nei rispettivi ID con metodi meccanici (fino al 14,5% in più per l’ID 3), con una notevole riduzione nel contenuto di polielettrolita utilizzato. I successivi test, eseguiti a diverse condizioni operative sul fan-go LI prelevato dall’ID 3, hanno mostrato un con-tenuto di SS del 39,3% con un potenziale elettrico di 20 V e uno spessore iniziale di 15 mm.
I test EDW effettuati su campioni di fango disi-dratato meccanicamente (DM) hanno consentito di raggiungere valori di SS compresi tra 30-41%, ap-plicando un potenziale elettrico di 20 V ad uno spessore di fanghi di 15 mm.
Per una valutazione economica globale del pro-cesso e per ottimizzare i parametri operativi, il co-sto totale del processo EDW è stato confrontato con il caso di riferimento relativo alla linea di di-sidratazione meccanica. Nell’analisi sono stati con-siderati i costi di condizionamento, disidratazione e smaltimento del fango. La disidratazione elettro-assistita su fango LI ha mostrato una notevole ri-duzione dei costi totali, fino ad un risparmio del 30% per il fango proveniente dall’ID 3, nei fanghi stabilizzati aerobicamente. Il processo EDW su fanghi DM ha invece evidenziato valori di rispar-mio dei costi dall’11 al 50%, a seconda del tipo di fango e delle condizioni operative utilizzate. In conclusione, i risultati sperimentali e l’analisi economica su fango LI e DM hanno confermato che la disidratazione elettro-assistita possa essere utilizzata sia come processo alternativo ai metodi meccanici utilizzati convenzionalmente negli ID, sia come metodo complementare alle tradizionali nastropresse e centrifughe. L’elevato contenuto di SS raggiunto e il conseguente risparmio nei costi di smaltimento conferiscono al processo EDW un grande interesse su scala commerciale.
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RINGRAZIAMENTI
Questa ricerca ha ricevuto finanziamenti dal
Se-venth Framework Programme dell’Unione
Euro-pea nell’ambito del progetto n. 611593 “SLUD-GEtreat” e del Progetto LIFE “ELECTRO-SLUD-GE” n. ENV/IT/000039. Gli autori desiderano rin-graziare Gruppo CAP per aver fornito i campioni di fanghi e Industrie De Nora Spa per aver fornito l’elettrodo in DSA®.
